數字工程及十個領域推廣展望

本文是一篇職稱論文，本文結合產品研制使用與系統建設運行等全生命周期組織管控過程的信息化、數字化、網絡化、智能化、體系化發展趨勢，依據數字工程在物理域、信息域、過程域、知識域四域中的作用范圍，四域開發利用與融合程度，以及數字工程能夠賦予產品或系統不同程度的各種能力，提出了數字工程五級成熟度模型；
1  數字工程：從1.0到5.0
1.1  數字工程：五級成熟度模型
通過總結分析當前各產業領域數字化轉型相關研究與應用實踐，結合信息化、數字化、網絡化、智能化、體系化發展趨，依據數字工程在物理域、信息域、過程域、知識域四域中的作用范圍，四域開發利用與融合程度，以及數字工程能夠賦予產品或系統不同程度的各種能力，提出數字工程五級成熟度模型：基于信息空間提速增效（數字工程1.0），基于數字空間仿真分析（數字工程2.0），基于數實空間虛實交互（數字工程3.0），基于數智空間智能決策（數字工程4.0），基于數智生態體系優化（數字工程5.0）。

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1.2  數字工程1.0：基于信息空間提速增效
計算機的誕生標志著信息空間的出現，能夠將原先必須在物理世界中依賴紙質化作業方式完成的任務的部分信息錄入計算機，進而依靠計算機算力和存儲能力，實現海量數據的高效計算處理和各類信息的快速安全存儲，減輕相關人員的工作壓力。隨著計算機基本應用功能的實現和信息化技術的應用，寫文檔、制表格、算數據、畫圖紙、錄信息、歸檔案等工程活動開始從物理空間大規模轉移至信息空間，使工程技術不僅能夠在物理域中發揮作用，還能利用信息域中的計算、存儲、分析等信息化優勢，為相關人員提供便利，并大幅提高工程建設，特別是設計與驗證階段的效率。
以飛機研制過程為例，信息空間的產生對于提升飛機設計階段的工程實踐效率具有重要意義。研發人員基于歷史經驗知識分解飛機的研發需求，設計飛機的整體結構和功能。在此過程中，可以利用計算機輔助計算飛機的結構、性能、使用壽命、可靠性等的重要參數，并信息化存儲相應的設計文檔數據，有效提升飛機的設計效率，縮短飛機研制周期。
然而，由于早期高性能計算、存儲、軟件等相關技術的不成熟，信息化的文檔、數據、圖紙等僅能在一定程度上為人類的工程建設過程提供便利性支持，數字工程1.0并不能在信息空間中復刻物理世界中的要素特征、要素功能和相關過程，因此無法從本質上幫助人類分析復雜產品或系統的局部特性與基于復雜耦合關系的全局特征，進而賦能工程實踐過程，實現產品或系統增值增質和體系優化。
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1.3  數字工程2.0：基于數字空間仿真分析
隨著計算機硬件性能的提升，以及各類建模仿真軟件的出現，深化和拓展了數字工程在信息域和過程域的作用范圍。二維建模軟件的誕生，使產品或系統生命周期部分階段內的過程和單一學科領域的局部特性能夠基于降維解耦的思想進行數字化描述，標志著產品或系統部分要素及過程開始向數字空間進行投影和映射。三維建模軟件和多領域建模軟件的誕生，不僅實現了模型升維，豐富了模型所蘊含的信息，提高了研究、設計、驗證等過程的可視化水平，提升了模型可信度和保真度，還為產品、系統及其組件多領域統一建模、多物理耦合仿真和數字化交付奠定了基礎。仿真技術及相關分析軟件的出現，使產品或系統具備了基于數模聯動在過程域中回溯分析和推演預測的能力，幫助人類深入認知和分析復雜產品及系統的局部特性，進而大幅提高產品及系統研究、組織和管理的質量。
仍以飛機復雜產品為例，利用autocad、3dmax、simulink、ansys、eda等建模仿真軟件構建飛機的數字空間，并在其中對飛機的幾何結構、材料強度、電磁熱力多場和控制等多方面進行建模仿真分析，再利用nastran、catia、advanced aircraft analysis等飛機設計與分析專用軟件進行優化管理，利用matlab、sql等軟件進行輔助支持，為高性能、高可靠的飛機研制過程提供多場耦合分析、多模態仿真、性能預測、問題追溯等多種數字化手段，開創軟硬一體化、設計驗證一體化、多學科協同化、細節過程可視化的設計驗證新模式，相較數字工程1.0，進一步提高設計驗證的效率和質量，提升相關人員的工作體驗，并為更基礎、更細節、更復雜、更隱蔽的系統性問題分析和優化過程提供支持。
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2  數字工程：思考與理解
為持續、健康、快速的發展數字工程，提升數字工程成熟度等級，最終達到理想的數字工程5.0，基于中國近20年數字化探索實踐，針對各產業數字化轉型現狀，結合數字工程未來數字化、網絡化、智能化、體系化發展趨勢，從能力、性能、技術和發展過程等角度，提出對數字工程的思考與理解，以期為數字工程的高質量可持續發展提供參考。
（1）數字工程不是簡單的物理對象數字化，而是全要素、全過程、全功能、全業務數字化，進而不斷形成“數力”。對物理實體進行數字化建模是在數字空間中實現對其研究和分析的基礎，數字樣機、建模仿真、基于模型的系統工程等相關研究普遍聚焦于物理對象的數字化模型構建與使用，期望借助數字化模型實現對物理對象的仿真和可視化。然而，物理對象僅僅是事物運行的主體，與其緊密關聯的業務需求、功能性能、方法流程、運行過程、發展規律、經驗知識、外界環境等對于提升能力和實現目標也同樣重要。
（2）數字工程不僅關注數字空間，還關注實際物理空間，更關注數實空間交互融合。在數字空間中對物理實體進行建模仿真并將其運行過程可視化呈現，能夠在一定程度上幫助研究者更好的認識和理解事物發展的規律，幫助工程師以更低的成本、更短的周期、更安全的過程得到更好的實踐效果，但僅關注數字空間還遠遠不夠。數字工程強調從物理世界的實際需求和問題出發，到數字世界中深入分析、開發功能、尋求突破，最終返回物理世界賦能物理對象。在此過程中，為保證模型、數據和功能服務的時效性，需要物理空間和數字空間進行實時交互與深度融合。
（3）數字工程不僅需要“數力”和虛實融合，更需“智力”。盡管基于“數力”和物理空間與數字空間的交互與融合能夠產生巨大的增值效應，例如實現硬件在環測試、遠程管控、可視化運維、時效決策等重要功能，但這些都只是對模型和數據的直接應用，并未發掘出其全部價值。數字工程需要利用計算機技術、大數據技術、人工智能技術等迅速發展所帶來的強大算力和先進算法，基于模型、數據和人的經驗，挖掘知識、表示知識、存儲知識和利用知識，進而賦予物理產品或系統以智慧，實現物理產品或系統的自適應、自學習、自優化和自進化。
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3  數字工程：需求與挑戰
為實現 “數力”與“智力”的開發和利用，進而實現并提升“控全局、破孤島、聚能力、跨時空、強智能、深協同”數字工程六大能力，數字工程面臨以下需求和挑戰。
（1）全信息匯聚融合。產品或系統在規劃、研究、設計、驗證、制造、試驗、使用、維護、報廢全生命周期各環節都需要各類數據的直接參與，產品或系統本身也在全生命周期中持續產生新的數據，這些數據中蘊涵著產品或系統的組成成分、結構特征、時變特征、功能、性能、當前狀態、歷史過程、服務對象、結果反饋等諸多有效信息，對于產品或系統設計、制造、運維等的智能化尤為重要。以飛機為例，其飛行過程產生的數據蘊含的引擎功率變化、機械磨損程度、燃油利用率等信息，對于飛機發動機優化設計和維護智能決策等具有重要參考意義。因此，需攻克海量多源數據實時匯聚與存儲、海量異構數據高效處理與深度融合、基于融合數據的知識高質量挖掘、表示、存儲和利用等挑戰，實現產品或系統的全信息匯聚融合，為數字工程“數力”和“智力”的形成提供數據、信息和知識基礎。
（2）全要素、全過程、全功能、全業務精準刻畫。在數字空間中實現對物理對象深入分析、智能決策和能力提升的前提，是利用模型、數據等表現形式精準刻畫產品或系統相關要素、過程、功能和業務。以飛機飛行決策為例，為實現對飛機飛行過程的智能決策，需根據精準的機體模型、飛機能力模型、飛行任務模型、燃油損耗模型等，以及精準的飛行速度、飛行高度、空氣壓強、燃油剩余量等數據，進行仿真分析和決策優化。因此，需攻克全要素模型精準構建、全過程模型精準構建、全功能模型精準構建、全業務模型精準構建四個挑戰，保證數字空間中的數字產品或系統完備可靠，并結合產品或系統全信息，為數字工程提供強大“數力”。
（3）全過程交互協作。產品或系統的全生命周期包括設計、驗證、制造、試驗、使用、維護等多個環節，每個環節又涉及諸多串行和并行過程。以飛機為例，其在研制階段通常會涉及整體功能設計、細分功能模塊設計、多學科交叉設計、零部件試制、整機試制、整機調試、試飛取證等一系列相互耦合的過程，每個過程都由不同數量的工作人員、不同類型和數量的生產裝備以及不同形式的軟件和平臺共同完成。為實現系統全過程多方高效交互與協作，亟需借力傳感、通信、網絡等先進技術，攻克研制階段的多學科領域、多方多人協同規劃、研究、設計與驗證，以及使用階段的全要素實時交互與高效協同兩大挑戰。
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4  數字工程：內涵與技術體系
4.1  數字工程：概念內涵
數字工程是一種面向產品或系統在設計、制造、運維等階段的需求，從物理世界出發，通過利用新一代信息技術、數字技術、人工智能技術等開發利用“數力”和“智力”，逐步構建和完善數字世界，進而實現并提升體系化解決問題和滿足需求“能力”的工程范式。

數字工程的目標是通過充分利用“控全局、破孤島、聚能力、跨時空、強智能、深協同”六大“能力”，從全生命周期、體系、智能、時效等角度，綜合考慮與滿足需求相關的全要素、全過程、全功能和全業務，科學組織和管理各種可支配資源，統籌產品或系統全生命周期，實現所需產品研制和所需系統建設，并在其全生命周期內有效管控產品或系統的性能，使其在運行使用時能夠發揮預期性能，從而滿足應用需求。
由于實現上述目標過程的時間跨度大且各階段所需功能不同，涉及要素種類多且協作關系和耦合關系復雜，不同要素間存在時空距離，不同時段、不同要素、不同業務所產生的數據和信息具有局限性，且應用需求和運行環境具有動態性和不確定性，僅憑物理手段難以實現上述目標。因此，數字工程需基于模型、數據等構建“數力”，基于算力、算法、網絡、存儲等開發“智力”，充分利用“數力”和“智力”，實現并提升體系化解決問題和滿足需求的六大“能力”，從而賦能復雜產品或復雜巨系統，使其能夠面向動態多變環境與需求及時提供所需優質服務。具體的，通過信息錄入、數據采集等手段，從無到有的創建數字工程的信息空間，提升數據處理和信息共享的效率；通過構建與解決問題相關的模型，如產品幾何模型、學科理論模型、系統架構模型、工藝流程模型等，拓展數字工程的數字空間，并在其中實現對產品或模型的仿真分析、優化設計和預測回溯等；基于傳感器、網絡等技術，進一步實現數字世界中模型與物理世界中實體的實時交互和狀態映射，將物理空間和數字空間融合升級為數實空間。在不斷拓展和完善信息空間、數字空間和數實空間的過程中，“數力”逐漸形成并持續加強。通過持續從海量數據中挖掘知識，表示并固化人類經驗，為實現基于知識和規則的智能奠定基礎，在此基礎上，通過運用人工智能技術和相關算法，并結合數模聯動與虛實映射機制，進一步實現由感知、認知、決策、執行、評估、優化等一系列智能功能構成的智能自治能力，形成單個產品或系統的數智空間；通過集成與待解決難題和待滿足需求相關的所有數智空間，融合形成完整、自律的數智生態。在拓展融合數智空間最終形成數智生態的過程中，由算力、算法性能、網絡性能、存儲能力四部分構成的“智力”隨著相關技術的突破持續提升，為各種智能功能的實現與性能的提升提供支撐。
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5  數字工程：應用展望
5.1核電廠數字工程
核電作為大規模可持續供應的主要能源之一，具有發電成本低、干凈無污染的顯著優點，是能源結構的重要組成部分。積極推進核電建設并持續發展核電技術，是應對能源短缺和環境污染的有效手段。由于核電廠結構復雜、安全要求高、建設周期長，且一旦核能外泄將對自然環境和人類生活產生巨大危害，因此核電廠的設計建造及運維管理需充分考慮安全性能和環境影響。核電廠數字工程為核電廠的全生命周期高效建設與安全管理提供了虛實融合的工程模式，對于實現核電廠有序建設、安全運行和智能管理具有重要意義。
核電廠數字工程利用核電廠從設計建造到運行維護全過程涉及的模型、數據、知識和算法，開發各類數智化應用服務以實現核電廠“人-機-料-環”高效安全管控，從而促進核電產業的數字化轉型與高質量發展。以核電廠的安全可靠運維為例，如圖5所示，在核電廠運行過程中，通過部署在核電廠內部和周邊環境的傳感器不斷獲取實時物理數據，實現核電廠全要素、全過程的實時狀態監測。在此基礎上，面向核電廠實時、高效、精準的運維管控需求，核電廠數字工程提供“五定”服務：①定故障位置，針對核電廠實時監控過程中獲取的異常信號，結合設備運行機理模型、歷史運行數據和智能算法對故障來源進行多維度綜合分析，通過自頂向下的方式精準確定故障點至單元級；②定故障原因，結合歷史運行信息和故障知識庫，分析并診斷異常信號產生原因，實現故障自動、智能、精準診斷；③定故障等級，根據相關標準對故障風險進行自動評估，并依據故障嚴重程度、負面影響時長等對其進行分級示警；④定運維方案：對實時數據、歷史數據、設備特征參數等數據進行數據處理與融合，并借助智能算法預測分析核電廠的安全性能，并以此為依據制定相應的預測性維護方案；⑤定運維成本，根據核電廠運維需求建立數字化運維管理系統，基于實時工時數據、耗材費用、人員信息等測算運維成本，并結合作業需求對人員、材料、設備進行及時優化調整，以實現核電廠“人-機-料-環”的數智化管控。
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5.2 航空發動機數字工程
航空發動機是飛機的“心臟”，被譽為“工業皇冠上的明珠”，其技術水平反映著國家的綜合實力，因此亟需快速提升航空發動機綜合研制水平。航空發動機是涉及多環節、多學科、多主體的復雜系統，當前航空發動機研制模式仍存在一體化、系統化、集成化不足等問題。依據所提出數字工程體系架構，本節進一步提出航空發動機數字工程，航空發動機數字工程通過整合設計、測試、制造各階段數據與模型，提升數字空間與物理空間交互程度，從而提供個性化設計、精準評估、質量保障等高質量服務。①設計階段：針對航空發動機設計需求，基于數字工程所提供的類型一致數據、格式兼容模型以及平臺集成服務，可使航空發動機設計過程實現“深協同”，包含航空發動機涉及的空氣動力學、工程熱物理、機械電子、材料等多學科設計的協同，整機制造商、一級制造商、二級制造商、三級制造商等多主體間的設計協同，考慮實際制造裝配能力的零部件、分系統、整機設計與制造過程協同，以及航空發動機與壓氣機、燃燒室、渦輪、進氣道、尾噴管等組成部分間局部整體的協同，通過上述“四協同”，促進航空發動機設計過程中的多方協同、提高設計效率、減少設計誤差；②測試階段：在數字空間構建高保真的航空發動機模型與測試環境模型，通過注入測試條件以在一定程度上反映所設計航空發動機產品性能，通過物理發動機的物理測試與數字發動機的虛擬測試閉環互補，進一步提升測試結果的全面性、準確性與可靠性，縮短航空發動機物理測試次數，大幅度降低測試成本；③制造階段：
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6  結束語
通過開發利用“數力”和“智力”，提升系統性解決問題和滿足應用需求的“能力”，實現從主要依賴物理手段的傳統工程方式到數字工程的范式升級，是助力各產業領域數字化轉型與智能化升級，推動數字中國高質量建設與數字經濟可持續發展，構筑國際競爭新優勢的有效途徑，對于滿足日益提升的生產生活需求具有重要意義。數字工程發展應用的同時，也將進一步促進各學科領域的交叉融合，以及加快科學技術轉化為現實生產力的速度，實現強科技帶動強產業、發展強經濟、建設強國家，貫徹落實創新驅動發展。
本文①結合產品研制使用與系統建設運行等全生命周期組織管控過程的信息化、數字化、網絡化、智能化、體系化發展趨勢，依據數字工程在物理域、信息域、過程域、知識域四域中的作用范圍，四域開發利用與融合程度，以及數字工程能夠賦予產品或系統不同程度的各種能力，提出了數字工程五級成熟度模型；②基于中國近20年數字化探索實踐，從能力、目標、支撐技術和發展過程等角度，闡述了對數字工程的深入思考與理解，通過定義數字工程 “數力”、“智力”、“能力”三力，并闡明其組成要素和三力之間的關聯關系，明確了數字工程的概念與內涵；③為實現控全局、破孤島、聚能力、跨時空、強智能、深協同數字工程六大能力，詳細分析了數字工程將面臨的六大需求和挑戰，研究提出了以“智能中樞”為核心，以“物理線程、模型線程、數據線程、服務線程”四大線程為主線的數字工程體系架構，提出了由八類關鍵技術組成的數字工程技術體系；④在此基礎上，面向海陸空天復雜產品與裝備研制使用，以及城市、醫療、能源等復雜巨系統的建設運行等重大需求，對核電廠數字工程、航空發動機數字工程、衛星互聯網數字工程、海洋數字工程、風洞數字工程、未來戰場數字工程、城市數字工程、醫療數字工程、能源數字工程、車輛數字工程等重大領域進行應用展望，給出了數字工程范式在不同領域的實例化應用參考。
參考文獻（略）